DE202012003084U1 - F-theta lens l - Google Patents
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Abstract
F-Theta-Objektiv umfassend vier Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L1 als Bikonkavlinse mit einer Brennweite f1, einer zweiten Einzellinse L2 als Meniskus mit einer Brennweite f2, einer dritten Einzellinse L3 als Plankonvexlinse L3 mit einer Brennweite f3 und einer vierten Einzellinse L4 als Bikonvexlinse mit einer Brennweite f4 sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f1–f4 zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt: –0,6 < f1/f < –0,4 +1,6 < f2/f < +2,0 +0,8 < f3/f < +1,0 +1,8 < f4/f < +2,2F-theta lens comprising four single lenses with a first single lens L1 as a biconcave lens with a focal length f1, a second single lens L2 as a meniscus with a focal length f2, a third single lens L3 as a plano-convex lens L3 with a focal length f3 and a fourth single lens L4 with a biconvex lens a focal length f4 and a total focal length f of the F-theta lens, the ratio between the focal lengths f1-f4 to the total focal length f satisfying the following conditions: −0.6 <f1 / f <–0.4 +1.6 <f2 / f <+2.0 +0.8 <f3 / f <+1.0 +1.8 <f4 / f <+2.2
Description
Die Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv wie es in einer Scannvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann.The invention relates to an F-theta objective as it can be used in a scanning device for laser material processing.
Ein F-Theta-Objektiv fokussiert einen, um einen Scannwinkelbereich +/–θ zur optischen Achse des F-Theta-Objektives scannend auftreffenden Laserstrahl, in ein ebenes Bildfeld, wobei innerhalb dieses Scannwinkelbereiches das Verhältnis von Scannwinkel und Abstand des Auftreffpunktes des Laserstrahls von der optischen Achse im Bildfeld einer linearen Funktion folgt. Das heißt ein Laserstrahl, der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gescannt wird, erzeugt im Bildfeld einen Fokuspunkt, der sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Dabei soll die Größe des Fokuspunktes an jedem Ort im Bildfeld konstant sein. Die Größe des Fokuspunktes wird in Abhängigkeit vom Ziel der Lasermaterialbearbeitung, z. B. Beschriften, Entschichten oder Schneiden bestimmt.An F-theta lens focusses a laser beam incident to a scanning angle range +/- θ to the optical axis of the F-theta objective in a flat image field, within which scanning angle range the ratio of scanning angle and distance of the incident point of the laser beam from the optical axis in the image field follows a linear function. That is, a laser beam that is scanned at a constant angular velocity creates a focal point in the image field that moves at a constant velocity. The size of the focal point should be constant at every location in the image field. The size of the focal point is dependent on the goal of the laser material processing, z. As labeling, stripping or cutting determined.
Aufgrund der wellenlängenabhängigen Brechung des Laserstrahles beim Durchlaufen des F-Theta-Objektives werden F-Theta-Objektive, um eine hohe Fokuspunktqualität zu erreichen, auf die Wellenlänge des verwendeten Bearbeitungslaserstrahls korrigiert, das heißt das Objektiv wird so gerechnet, dass es für ein Bildfeld vorgegebener Größe im Rahmen einer zulässigen Temperaturtoleranz für eine vorgegebene Wellenlänge und einen vorgegebenen Laserstrahldurchmesser keine oder nur sehr geringe optische Abbildungsfehler aufweist, die zu einer merklichen Größenänderung des Fokuspunktes führen. insbesondere für den Einsatz in der Lasermaterialbearbeitung weisen F-Theta-Objektive ein großes Bildfeld und eine große Gesamtbrennweite auf.Due to the wavelength-dependent refraction of the laser beam when passing through the F-theta objective F-theta lenses are corrected to the wavelength of the processing laser beam used to achieve a high focus point quality, that is, the lens is calculated so that it is predetermined for a field of view Size within a permissible temperature tolerance for a given wavelength and a given laser beam diameter has no or only very small optical aberrations that lead to a significant change in size of the focal point. In particular for use in laser material processing, F-theta lenses have a large field of view and a large total focal length.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein F-Theta-Objektiv für Hochleistungslaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Gesamtbrennweite zwischen 140 und 180 mm, insbesondere 160 mm zu schaffen, welches eine rückreflexfreie Abbildung der Laserstrahlung ermöglicht. Diese Aufgabe wird für ein F-Theta-Objektiv mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.It is the object of the invention to provide an F-theta objective for high-power laser with a wavelength of 1064 nm and a total focal length between 140 and 180 mm, in particular 160 mm, which enables a back-reflection-free imaging of the laser radiation. This object is achieved for an F-theta objective with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments are described in the subclaims.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to a drawing.
Hierzu zeigt:This shows:
Die erste Linse L1 ist dabei eine Bikonkavlinse, die zweite Linse L2 ist ein Meniskus, die dritte Linse L3 ist eine Plankonvexlinse und die vierte Linse L4 ist eine Bikonvexlinse.The first lens L 1 is a biconcave lens, the second lens L 2 is a meniscus, the third lens L 3 is a plano-convex lens and the fourth lens L 4 is a biconvex lens.
Die Brennweiten der vier Einzellinsen genügen folgender Forderung:
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f1 der ersten Linse L1 beträgt zur Gesamtbrennweite f: –0,6 < f1/f < –0,4.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f2 der zweiten Linse L2 beträgt zur Gesamtbrennweite f: +1,6 < f2/f < +2,0.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f3 der dritten Linse L3 beträgt zur Gesamtbrennweite f: +0,8 < f3/f < +1,0.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f4 der vierten Linse L4 beträgt zur Gesamtbrennweite f: +1,8 < f4/f < +2,2.The focal lengths of the four individual lenses satisfy the following requirement:
The focal length ratio of the focal length f 1 of the first lens L 1 is the total focal length f: -0.6 <f 1 / f <-0.4.
The focal length ratio of the focal length f 2 of the second lens L 2 is the total focal length f: +1.6 <f 2 / f <+2.0.
The focal length ratio of the focal length f 3 of the third lens L 3 to the total focal length f: + 0.8 <f 3 / f <+1.0.
The focal length ratio of the focal length f 4 of the fourth lens L 4 is the total focal length f: +1.8 <f 4 / f <+2.2.
Den vier Einzellinsen L1–L4 kann ein Schutzglas SG nachgeordnet sein.The four individual lenses L 1 -L 4 may be arranged downstream of a protective glass SG.
Der nützliche Effekt, welcher mit einem erfindungsgemäßen F-Theta-Objektiv erreicht wird, besteht darin, dass mit vier Einzellinsen L1–L4, aus Quarzglas, ein für ein Hochleistungslaser geeignetes, für eine Wellenlänge von 1064 nm korrigiertes F-Theta-Objektiv mit einer Gesamtbrennweite zwischen 140 und 180 mm entsteht. Das F-Theta-Objektiv ist mit seinen Parametern so gestaltet, dass an den optisch wirksamen Flächen der Linsen L1–L4 und gegebenenfalls dem Schutzglas SG entstehende Rückreflexe nicht auf die Oberflächen der Linsen L1–L4 bzw. auf die um die Eintrittspupille EP angeordneten Spiegel fokussiert werden. Die spezifische Struktur und die Parameter eines Ausführungsbeispiels für ein solches F-Theta-Objektiv sind nachfolgend beschrieben.The useful effect achieved with an F-theta objective according to the invention is that with four individual lenses L 1 -L 4 , made of quartz glass, an F-theta objective which is suitable for a high-power laser and is corrected for a wavelength of 1064 nm with a total focal length between 140 and 180 mm arises. The F-theta lens is designed with its parameters so that at the optically active surfaces of the lenses L 1 -L 4 and optionally the protective glass SG resulting back reflections not on the surfaces of the lenses L 1 -L 4 and on to the Entry pupil EP arranged mirrors are focused. The specific structure and parameters of an embodiment of such an F-theta objective are described below.
Die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt in einem Abstand von d1 vor dem vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L1, einer Bikonkavlinse mit einer Dicke d2, deren vordere Oberfläche einen Radius r1 und deren hintere Oberfläche einen Radius r2 aufweist. Dieser ersten Linse L1 folgt mit einem Luftabstand d3 die zweite Linse L2, ein negativer Meniskus mit einer Dicke d4, dessen vordere Oberfläche einen Radius r3 und deren hintere Oberfläche einen Radius r4 aufweist.The entrance pupil EP of the F-theta objective lies at a distance of d 1 from the front vertex of the first lens L 1 , a biconcave lens with a thickness d 2 whose front surface has a radius r 1 and whose rear surface has a radius r 2 , This first lens L 1 is followed by an air gap d 3, the second lens L 2 , a negative meniscus with a thickness d 4 , the front surface has a radius r 3 and the rear surface has a radius r 4 .
Mit einem Luftabstand d5 folgt die dritte Linse L3, eine Plankonvexlinse mit einer Dicke d6, deren vordere Oberfläche einen Radius von r5 und deren hintere Oberfläche einen Radius von r6 aufweist. Die vierte Linse L4, eine Bikonvexlinse mit einer Dicke d8, deren vordere Oberfläche einen Radius von r7 und deren hintere Oberfläche einen Radius von r8 aufweist, folgt mit einem Luftabstand d7. Mit einem Luftabstand von d9 folgt ein planparalleles Schutzglas SG mit einer Dicke von d10. Das Bildfeld BE entsteht in einem Abstand von d11 zum Schutzglas SG. Als Material wurde für alle Einzellinsen L1–L4 und das Schutzglas SG Quarzglas mit einer Brechzahl n gewählt.With an air gap d 5 , the third lens L 3 follows, a plano-convex lens with a thickness d 6 whose front surface has a radius of r 5 and whose rear surface has a radius of r 6 . The fourth lens L 4 , a biconvex lens with a thickness d 8 whose front surface has a radius of r 7 and whose rear surface has a radius of r 8 , follows with an air gap d 7 . With an air distance of d 9 follows a plane-parallel protective glass SG with a thickness of d 10 . The image field BE is formed at a distance of d 11 to the protective glass SG. As the material, quartz glass with a refractive index n was selected for all the individual lenses L 1 -L 4 and the protective glass SG.
Die Radien der Einzellinsen L1–L4, deren Dicken und deren Abstände d sind in nachfolgender Tabelle angegeben.
Die Abstände und Dicken sind gleichermaßen als d gekennzeichnet und in ihrer Abfolge entlang der optischen Achse A des F-Theta-Objektivs in Strahldurchtrittsrichtung durchnummeriert sowie in
Die Angaben „vordere” und „hintere Oberfläche sind auf die Strahldurchtrittsrichtung bezogen. Die Radien r1–r10 können durch den Bezug auf die betreffenden Linsen L1–L4 und das Schutzglas SG zweifelsfrei zugeordnet werden und sind daher der guten Übersichtlichkeit halber in
In Abhängigkeit von den materialabhängigen Brechzahlen n der Einzellinsen L1–L4, bestimmen die Dicken d2, d4, d6, d8 der Einzellinsen L1–L4 in Verbindung mit den Krümmungsradien r1–r8 der Einzellinsen jeweils die Brennweiten f1–f4 der Einzellinsen L1–L4. Die Brennweiten f1–f4, die jeweils den Abstand eines Brennpunktes von einer Hauptebene einer Einzellinse L1–L4 beschreiben, sind in
Für ein F-Theta-Objektiv mit den hier angegebenen Parametern ergibt sich für die erste Linse L1 eine Brennweite f1 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von –0,48, für die zweite Linse L2 eine Brennweite f2 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von 1,78, für die dritte Linse L3 eine Brennweite f3 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von 0,88 und für die vierte Linse L4 eine Brennweite f4 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von 1,98.For an F-theta objective with the parameters specified here, a focal length f 1 results for the first lens L 1 in relation to the total focal length f of -0.48, for the second lens L 2 a focal length f 2 in relation to the total focal length f of 1.78, for the third lens L 3 a focal length f 3 in relation to the total focal length f of 0.88 and for the fourth lens L 4 a focal length f 4 in relation to the total focal length f of 1.98.
Aus der Anordnung der Linsen L1–L4 hintereinander in Verbindung mit deren Luftabständen d3, d5, d7 ergibt sich die Gesamtbrennweite f von 160 mm. Das F-Theta-Objektiv ist für eine Wellenlänge von 1064 nm korrigiert.From the arrangement of the lenses L 1 -L 4 in succession in conjunction with their air gaps d 3 , d 5 , d 7 , the total focal length f of 160 mm results. The F-theta lens is corrected for a wavelength of 1064 nm.
Claims (3)
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Legal Events
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 20120719 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20150408 |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |